"Diseño, análisis y validación de la estructura mecánica del calorímetro CALIFA en el experimento R3B de FAIR".
DATE:
2022-02-01
UNIVERSAL IDENTIFIER: http://hdl.handle.net/11093/2998
DOCUMENT TYPE: doctoralThesis
ABSTRACT
Palabras clave: Composite; CFRP; Pared delgada; Modelo de Elementos Finitos; No Lineal
En febrero de 2003 se aprobó la construcción de FAIR, un nuevo centro internacional de investigación en Física Nuclear y áreas afines a partir de las actuales instalaciones del GSI (Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Alemania).
El experimento R3B (Reactions with Relativistic Radioactive Beams) comprende un conjunto de detectores para las mediciones completas de la cinemática de las reacciones con haces de iones de alta energía (relativistas). El diseño y la construcción del calorímetro CALIFA para el experimento R3B es un proyecto conjunto de varias universidades europeas y centros de investigación.
La gran complejidad que presenta la parte estructural y mecánica es debida a que el núcleo del instrumento está integrado por unos 2000 cristales que deben orientarse de manera precisa. Además, la elevada densidad y fragilidad de los cristales debe combinarse con la necesidad de reducir al máximo el material estructural en la zona activa (para minimizar el efecto de su propia masa). Por ello se ha elegido usar un composite (CFRP), conformando unas celdas llamadas alveolos, para albergar los cristales, y para conformar una estructura única que debe ser ligera, accesible y robusta.
El requerimiento funcional de mínimo material de la estructura entre cristales hace necesario optimizar las paredes de los alveolos de CFRP. Este análisis se lleva a cabo mediante el Método de los Elementos Finitos (MEF) utilizando la aplicación informática Ansys. Ello supone en primer lugar establecer las propiedades mecánicas de los componentes de dicho material, los cuales no son facilitadas por el fabricante, haciéndose necesaria una búsqueda en la literatura publicada cuyos materiales y estructura coincidan exactamente con los empleados en este proyecto. El cálculo y simulación por MEF de un conjunto individual formado por las tres piezas base del calorímetro es computacionalmente asumible y habrá de validarse con un modelo mecánico formado por piezas iguales a las que formarán parte del calorímetro. Para el cálculo de la estructura completa es necesario simplificar los métodos para conseguir que el modelado pueda encontrar una solución convergente, desarrollando en primer lugar el problema real con sus particularidades no lineales y buscando un método que sustituya este modelado por otro lineal. El proceso de diseño tiene que encajar en un marco de tiempo de múltiples entradas, donde la evaluación mecánica no puede convertirse en un cuello de botella.
Finalmente, la estructura deberá ser lo suficientemente rígida como para que los resultados de las deformaciones en los puntos nodales de los alveolos de CFRP que albergarán los cristales, sean inferiores a los establecidos por los requerimientos funcionales de diseño. Dado que el proceso de diseño requiere analizar muchos aspectos diferentes en un proceso de retroalimentación, las herramientas deben adaptarse para cumplir con los condicionantes de la estructura, pudiendo incluir partes más rígidas donde sea necesario, y sistemas para ajustar las deflexiones esperadas durante los ciclos de trabajo del instrumento. Palabras clave: Composite; CFRP; Parede delgada; Modelo de Elementos Finitos; Non Lineal
En febreiro de 2003 aprobouse a construción de FAIR, un novo centro internacional de investigación en Física Nuclear e áreas afíns a partir das actuais instalacións do GSI ( Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Alemaña).
O experimento R3B ( Reactions with Relativistic Radioactive Beams) comprende un conxunto de detectores para as medicións completas da cinemática das reaccións con feixes de iones de alta enerxía ( relativistas). O deseño e a construción do calorímetro CALIFA para o experimento R3B é un proxecto conxunto de varias universidades europeas e centros de investigación.
A gran complexidade que presenta a parte estrutural e mecánica é debida a que o núcleo do instrumento está integrado por uns 2000 cristais que deben orientarse de maneira precisa. Ademais, a elevada densidade e fraxilidade dos cristais debe combinarse coa necesidade de reducir ao máximo o material estrutural na zona activa (para minimizar o efecto da súa propia masa). Por iso elixiuse usar un composite ( CFRP), conformando unhas celas chamadas alveolos, para albergar os cristais, e para conformar unha estrutura única que debe ser lixeira, accesible e robusta.
O requirimento funcional de mínimo material da estrutura entre cristais fai necesario optimizar as paredes dos alveolos de CFRP. Este análise levase a cabo mediante o Método dos Elementos Finitos ( MEF) utilizando a aplicación informática Ansys. Iso supón en primeiro lugar establecer as propiedades mecánicas dos compoñentes do devandito material, os cales non son facilitadas polo fabricante, facéndose necesaria unha procura na literatura publicada cuxos materiais e estrutura coincidan exactamente cos empregados neste proxecto. O cálculo e simulación por MEF dun conxunto individual formado polas tres pezas base do calorímetro é computacionalmente asumible e haberá de validarse cun modelo mecánico formado por pezas iguais ás que formarán parte do calorímetro. Para o cálculo da estrutura completa é necesario simplificar os métodos para conseguir que o modelado poida atopar unha solución converxente, desenvolvendo en primeiro lugar o problema real coas súas particularidades non lineais e buscando un método que substitúa este modelado por outro lineal. O proceso de deseño ten que encaixar nun marco de tempo de múltiples entradas, onde a avaliación mecánica non pode converterse nun colo de botella.
Finalmente, a estrutura deberá ser o suficientemente ríxida como para que os resultados das deformacións nos puntos nodais dos alveolos de CFRP que albergarán os cristais, sexan inferiores aos establecidos polos requirimentos funcionais de deseño. Dado que o proceso de deseño require analizar moitos aspectos diferentes nun proceso de retroalimentación, as ferramentas deben adaptarse para cumprir cos condicionantes da estrutura, podendo incluír partes máis ríxidas onde sexa necesario, e sistemas para axustar as deflexiones esperadas durante os ciclos de traballo do instrumento. Keywords: Composite; CFRP; Thin-wall; Finite Elements Method; Non-linear
In February 2003 the construction of FAIR was approved, a new international center for research in Nuclear Physics and related areas from the current facilities of the GSI (Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Germany).
The experiment R3B (Reactions with Relativistic Radioactive Beams) comprises a group of detectors for the complete measurements of the kinematics of the reactions with high energy ion beams (relativistic). The design and construction of the CALIFA calorimeter for the R3B experiment is a joint project of several European universities and research centers.
The great complexity that presents the structural and mechanical part is due to the fact that the core of the instrument is integrated by some 2000 crystals that must be oriented in a precise way. Besides, the high density and fragility of the crystals must be combined with the need to minimize the structural material in the active zone (to minimize the effect of its own mass). Therefore, it has been chosen to use a composite (CFRP), forming cells called pocket, to house the crystals, and to form a unique structure that must be light, accessible and robust.
The functional requirement of minimum material of the structure between crystals makes it necessary to optimize the walls of the CFRP cells. This analysis is carried out using the Finite Element Method (FEM) using the Ansys software application. This supposes in the firstly to establish the mechanical properties of the components of said material, which are not provided by the manufacturer, making it necessary a search in the published literature whose materials and structure coincide exactly with those employed in this project. The calculation and simulation by MEF of an individual set formed by the three base pieces of the calorimeter is computationally assumable and will have to be validated with a mechanical model formed by equal pieces to those that will be part of the calorimeter. For the calculation of the complete structure, it is necessary to simplify the methods to ensure that the modeling can find a convergent solution, first developing the real problem with its non-linear peculiarities and looking for a method that substitutes this modeling with a linear one. The design process has to fit into a multi-entry time frame, where mechanical evaluation can not become a bottleneck.
Finally, the structure must be sufficiently rigid so that the results of the deformations at the nodal points of the CFRP pockets that will house the crystals, are lower than those established by the functional design requirements. Since the design process requires analyzing many different aspects in a feedback process, the tools must be adapted to meet the constraints of the structure, including more rigid parts where necessary, and systems to adjust the deflections expected during the cycles of work of the instrument.